Methods chapter Leaf Kinematics

0 downloads 0 Views 523KB Size Report
photosynthesis-‐derived carbon into new photosynthetic area and into other parts ... 100 ml medium 0.5x MS salts, 10 g/l sucrose, 0.5 g/l MES and 0.8 g/l Plant.
Kinematic  analysis  of  cell  division  in  leaves  of  mono-­‐  and   dicotyledonous  species:  a  basis  for  understanding  growth  and   developing  refined  molecular  sampling  strategies   Hilde Nelissen1,2, Bart Rymen1,2, Frederik Coppens1,2, Stijn Dhondt1,2, Fabio Fiorani1,2,3 and Gerrit T.S. Beemster1,2,4 1

Department Plant Systems Biology, Flanders Institute for Biotechnology (VIB), Technologiepark

927, 9052, Gent, Belgium 2

Department Plant Biotechnology and Genetics, Ghent University, Technologiepark 927, 9052,

Gent, Belgium 3

Forschungszentrum Jülich, IBG-2: Plant Sciences, 52425 Jülich, Germany

4

Department of Biology, University of Antwerp, Groenenborgerlaan 171, 2020 Antwerpen,

Belgium

Corresponding Author: [email protected]

Abstract   The  cellular  level  processes  cell  division  and  cell  expansion  form  a  crucial  level  that   links  regulatory  processes  at  the  molecular  level  to  whole  plant  growth  rates  and   organ  size  and  shape.  With  the  rapid  progress  in  molecular  profiling,  quantification   of  cellular  activities  becomes  increasingly  important  to  determine  sampling   strategies  that  are  most  informative  to  understand  the  molecular  basis  for  organ   and  plant  level  phenotypes.  Inversely,  to  understand  phenotypes  caused  by  genetic   or  environmental  perturbations  it  is  crucial  to  know  the  cell  division  and  expansion   parameters  that  are  affected.     Kinematic  analyses  provide  a  powerful  and  rigorous  mathematical  framework  to   quantify  cell  division  and  cell  expansion  rates.  In  dicotyledous  leaves,  these   processes  are  primarily  changing  over  time,  resulting  in  proliferation,  expansion,  

and  mature  phases  of  development.  In  monocotyledonous  leaves  have  a  persistent   spatial  gradient,  with  an  intercalary  meristem,  an  expansion  zone,  and  a  mature  part   of  the  leaf.    Here  we  describe  in  detail  how  to  perform  kinematic  analyses  in  leaves   of  the  model  species  Arabidopsis  thaliana  and  in  the  leaves  of  the  monocotyledonous   crop  species  Zea  mays.  These  methods  can  be  readily  used  and  adapted  to  suit  other   species  using  relatively  standard  equipment  present  in  most  laboratories.   Importantly,  the  obtained  results  can  be  used  to  design  sampling  techniques  for   proliferating,  expanding  and  mature  cells.  

Keywords     Cell  division,  cell  expansion,  kinematics,  image  analysis,  epidermal  cells,   Arabidopsis,  leaf  growth,  maize  

1.

Introduction  

  In  plant  sciences,  growth  is  widely  used  to  describe  genotypes  and  responses  to   environmental  conditions.  Measurements  of  growth  at  the  whole  plant  or  organ   level  are  relatively  straightforward:  they  involve  measuring  size  or  weight  at   multiple  times  and  calculation  of  the  rate  of  increase.  In  many  cases  however  the   purpose  of  experiments  is  to  learn  more  about  the  underlying  mechanisms  that   regulate  plant/organ  growth.  To  this  end  two  major  categories  of  strategies  have   been  used  extensively,  each  focussing  on  different  aspects  of  growth  regulation.   Firstly,  “classical”  growth  analyses  have  been  widely  used  to  quantify  the  structural   basis  of  observed  growth  phenotypes.  Classical  growth  analysis  essentially   characterise  the  exponential  rate  of  growth,  RGR,  based  on  compartmentalisation  of   photosynthesis-­‐derived  carbon  into  new  photosynthetic  area  and  into  other  parts  of   the  plant  [1].  Cellular  growth  analysis  considers  the  contributions  of  cell  division   and  cell  expansion  into  growth  differences  at  the  whole  organ  level.  The  kinematic   analyses  described  in  this  chapter  are  an  advanced  version  of  cellular  growth   analysis.  Over  the  recent  years  there  has  been  tremendous  advance  in  molecular  

profiling  techniques  such  as  mRNA  profiling  by  microarrays  and  sequencing,  and   metabolic  and  proteome  profiling  by  mass  spectroscopy  analyses.  More  and  more   these  molecular  profiling  techniques  are  used  to  analyse  and  understand  the  basis   of  phenotypes  caused  by  genetic  differences  or  experimental  treatments.  Although   these  approaches  are  extremely  powerful,  they  restrict  themselves  to  molecular   level  processes,  which,  indirectly  through  effects  on  cell  division  and  expansion,   result  in  the  observed  whole-­‐organ  level  differences.     We  argue  that  to  maximally  understand  growth  regulatory  mechanisms,  growth  and   molecular  analysis  need  to  be  combined.  Particularly,  kinematic  analysis  can   instruct  when  and  where  differences  at  the  cellular  level  are  observed.  Sampling  of   specific  developmental  stages  and  or  zones  for  molecular  analyses  is  likely  to  be   significantly  more  powerful  for  unravelling  the  changes  that  underlie  the  growth   phenomena  than  whole  shoot  or  whole  plant  approaches.     To  allow  a  broader  use  of  kinematic  approaches  for  quantification  of  how  division   and  expansion  contribute  to  differences  in  rates  of  growth  at  the  whole  organ  level,   we  describe  these  methods  here  in  detail  for  two  different  types  of  leaves  (mono-­‐   and  dicotyledonous).  In  Chapter  [X],  we  describe  kinematics  and  other  approaches   to  study  Arabidopsis  root  growth  phenomena.  Kinematic  methods  have  been   pioneered  halfway  last  century  [2,  3]  and  a  rigorous  mathematical  framework  was   developed  based  on  laws  of  fluid  dynamics  a  few  decades  later  [4].  Since  then  there   has  been  a  gradual  increase  in  the  experimental  use  of  these  methods,  largely   supported  by  the  increasing  power  of  PCs  and  the  availability  of  powerful,  easy  to   use,  public-­‐domain  image-­‐analysis  software  like  ImageJ  (http://rsbweb.nih.gov/ij/).   Here  we  describe  the  methods  for  two  specific  experimental  systems:  the  first  leaf   pair  of  the  dicotyledonous  species  Arabidopsis  thaliana  and  the  leaf  of  the   monocotyledonous  species  maize.  We  focus  in  detail  on  the  practical   implementation.  Recent  reviews  are  recommended  for  further  reading  about  the   conceptual  basis  and  the  derivation  of  the  formulae  used  [4,  5].  Together  these  two   experimental  systems  provide  examples  of  the  possibilities  that  this  approach  

currently  offers  for  representatives  of  monocotyledonous  and  dicotyledonous   species,  as  the  protocols  can  easily  be  adapted  to  suit  most  other  species.    

2.

Materials  

2.1.  Analysis  of  Arabidopsis  leaves   1. 100  ml  medium  0.5x  MS  salts,  10  g/l  sucrose,  0.5  g/l  MES  and  0.8  g/l  Plant   Tissue  Culture  Agar  in  nano-­‐pure  water.  pH  is  adjusted  to  5.8  before  adding   agar.  The  medium  is  autoclaved  at  1  bar  over-­‐pressure  for  20  minutes.   2. Petri  dishes  and  porous  tape  to  seal   3. Bleach,  70  %  ethanol  and  nano-­‐pure  water   4. Lactic  acid   5. Hoyer  medium  [6]   6. Mounting  material:  object  slides,  cover  slips   7. Abinocular  microscope  equipped  with  a  camera  and  a  microscope  with  20x   and  40x  Plan  DIC  lenses  equipped  with  a  drawing  tube   8. Flatbed  scanner   9. Computer  running  image  analysis  software  (e.g.  ImageJ;  Public  domain  image   analysis  software,  freely  available  from  http://rsbweb.nih.gov/ij/),  a   spreadsheet  (e.g.  MS  Excel  or  OpenOffice  (freely  available  from   http://www.openoffice.org/).  

2.2.  Maize  Leaf   1. Ruler   2. Harvesting  Material:  Razor  blades,  scalpel,  forceps  and  vials  to  store   material.   3. Lactic  acid,  absolute  ethanol,  3/1  (v/v)  absolute  ethanol:  acetic  acid     4. Mounting  material:  object  slides  and  cover  slips   5. 4',6-­‐diamidino-­‐2-­‐phenyindole  (DAPI)  solution   6. Buffer  solution:  50mM  NaCl,  5mM  EDTA  and  10  mM  TRIS-­‐HCl  

7. Microscopy:  For  cell  length  measurements:  Microscope  with  20x  and  40x   Plan  DIC  lenses.  For  meristem  length  measurements:  An  epifluorescence   microscope  with  an  excitation  filter  at  wavelength  350  nm  and  emission   filter  at  wavelength  420  nm,  equipped  with  20x  and  40x  lenses.  Digital   camera  connected  to  a  personal  computer  equipped  with  software  which   allows  to  measure  cells  on  the  “live”  image  of  the  microscope  (Image  J  is   compatible  with  many  microscopes).   8. Computer  running  image  analysis  software  (e.g.  Scion  image;  Public   domain  image  analysis  software,  freely  available  from   http://rsbweb.nih.gov/ij/),  a  spreadsheet  (e.g.  MS  Excel  or  OpenOffice;   freely  available  from  http://www.openoffice.org/)  and  R  (Public  domain   statistical  software,  freely  available  from  http://www.r-­‐project.org/).  

3.

Methods  

3.1.  Analysis  of  Arabidopsis  leaves   After  initiation  at  the  shoot  apex,  leaves  of  dicotyledonous  plants  go  through   subsequent  stages  of  cell  division  and  expansion  before  they  reach  maturity.   Although  the  transitions  between  these  stages  occur  in  a  tip  to  base  gradient  [7]  the   approach  outlined  here  calculates  average  rates  of  division  and  expansion  across   the  entire  leaf.  The  analysis  is  based  on  two  sets  of  primary  data:  leaf  blade  area  and   cell  area.  For  the  first  leaf  pair  of  Arabidopsis  thaliana  ecotype  Columbia  0,  we   measure  these  variables  from  two  days  after  germination  (DAG)  until  22  DAG.  This   period  spans  from  leaf  emergence  until  maturity  under  our  environmental   conditions  (Growth  chamber:  21˚C,  Fluorescent  (Cool  White)  light  80  ⎧E  m-­‐2  s-­‐1,   16/8  hours  D/N,  shelves  cooled  at  19˚C  to  prevent  condensation  against  the  lids  of   the  Petri  dishes).    

3.1.1.  Plant  material   Seeds  are  sterilised  for  15  minutes  in  3.5%  bleach  solution  in  1.5  ml  Eppendorf   tubes  and  washed  three  times  with  sterile  water.  After  the  last  wash  the  water  is  left  

in  the  tubes.  Seeds  are  sown  using  a  20  µl  pipette  with  tips  of  which  the  top  is  cut  2   mm  with  a  razor  blade  to  increase  the  opening.  About  a  dozen  seeds  are  aspirated   with  enough  water  to  dispense  them.  The  seeds  are  deposited  individually  on  the   agar.  In  this  step  it  is  important  to  gently  touch  the  medium  with  the  tip  in  order  to   break  the  surface  of  the  agar  layer  allowing  the  root  to  penetrate  the  medium.  Note   that  this  is  opposite  to  the  approach  for  root  growth  analysis,  where  it  is  desirable  to   have  the  root  growing  on  the  surface  of  the  agar  and  not  penetrate  it.  The  plates  are   left  open  in  the  flow  for  a  few  minutes  to  let  excess  water  evaporate.  Then  the  Petri   dishes  are  closed  using  porous  tape  that  allows  gas  exchange.   To  facilitate  regular  spacing  of,  plates  with  a  grid  on  the  bottom  are  convenient.   These  provide  32  full  squares  on  a  12  cm  dish.  For  analysis  of  young  leaf  material  up   to  7  DAG  the  seeds  can  be  sown  densely  with  four  seeds  per  square.  For  the  time   points  8  to  11  DAG  two  seeds  are  sown  per  square  while  at  later  time  points  only   one  seed  per  square  can  be  used.  This  way  the  plants  have  enough  space  to  develop   without  overlapping  with  each  other.    

3.1.2.  Mounting  on  slides   For  the  earliest  stages  of  development,  whole  plants  are  harvested.  Once  the  first   true  leaves  have  formed  a  petiole  (ca  5  days  after  germination)  they  are  dissected.   After  harvesting  the  young  rosettes  and  leaves  material  are  placed  in  70%  ethanol   to  remove  chlorophyll  overnight.  Then  the  material  is  transferred  to  lactic  acid  for   clearing  and  further  storage.  After  one  night  the  cleared  material  can  normally  be   mounted  on  a  microscopic  slide  using  the  lactic  acid  as  mounting  medium.    When   the  clearing  is  not  good  and  the  leaves  still  look  opaque,  there  is  an  alternative   protocol  (see  Note  1).  For  the  cell  analysis,  the  abaxial  epidermis  is  used,  therefore  it   is  important  to  place  the  leaf  on  the  microscopic  slide  with  the  adaxial  -­‐  trichome   containing  -­‐  side  down.  For  the  earliest  stages,  the  first  leaf  pair  is  exposed  by  gently   pulling  apart  the  cotyledons  before  placing  the  cover  slip.  

3.1.3.  Leaf  area  measurements   The  blade  area  is  imaged  using  a  binocular  microscope.  The  magnification  is   adjusted  to  the  size  of  the  leaves  under  examination  (1.25-­‐6.3x),  making  sure  to   photograph  a  ruler  at  the  same  magnification  for  image  calibration.  Images  are   acquired  for  about  10  leaves  per  genotype/treatment  and  time  point.  The  leaf  area   is  measured  using  an  image  analysis  program,  e.g.  ImageJ.  First  of  all,  the  program  is   calibrated  using  the  ruler  image,  which  allows  converting  pixels  to  corresponding   distances  in  mm.  The  “polygon  selection”  tool  is  used  to  outline  the  leaf  blade  and   the  area  is  measured.  Because  the  leaves  of  Arabidopsis  often  have  a  curved  surface,   the  leaf  edge  is  sometimes  folded  double.  To  accommodate  for  this,  it  is  necessary  to   measure  the  area  of  the  folded  parts  of  the  leaf  that  can  be  easily  recognised  in   addition  to  the  outline  of  the  whole  leaf  area.  The  measurements  are  then  copied   into  a  spreadsheet  program  and  added  to  determine  the  total  leaf  blade  area.  For  the   kinematic  analysis  at  least  5  median  sized  leaves  are  selected  and  average  area  and   standard  errors  calculated.     For  the  earliest  time  points,  it  is  not  possible  to  determine  the  leaf  area  using  a   binocular.  In  these  cases  the  area  is  drawn  using  a  DIC  microscope  and  drawing  tube   (see  below).  

3.1.4.  Cell  area  measurements   The  cells  can  be  visualised  in  the  cleared  samples  with  a  DIC  microscope.  Depending   on  the  size  of  the  cells  a  20,  40  or  63x  magnification  is  used.  Preferably  the  abaxial   epidermis  of  the  first  leaf  pair  is  used  for  the  analysis  (See  Note  2  for  a  discussion  on   cell  types).  As  there  is  a  gradient  in  cell  development  from  leaf  tip  to  bottom,  the   cells  are  analysed  at  two  positions  of  the  leaf  at  about  a  quarter  from  the  tip  and   bottom  of  the  leaf  and  halfway  between  the  leaf  margin  and  the  mid-­‐vein.  Regions   directly  above  the  vasculature  are  avoided  because  the  epidermal  cells  can  be  more   elongated  and  harder  to  visualise  due  to  the  optical  disturbance  of  the  underlying   dense  vascular  strands.    

Preferably,  the  leaf  epidermal  cells  are  outlined  using  a  drawing  tube  (For  an   alternative  see  Note  3).  This  device  consists  of  a  tube  containing  a  mirror,  which   allows  visualisation  through  the  microscope  ocular  piece  of  both  the  sample  and  the   drawing  being  made  on  a  piece  of  paper  next  to  the  microscope.  To  gather  sufficient   data,  we  draw  about  50  cells  for  each  epidermal  area  examined.  While  drawing,  it  is   important  to  avoid  creating  a  bias  in  cell  sizes.  We  need  to  avoid  the  edge  of  the   paper  and  it  is  imperative  not  to  draw  a  disproportionately  high  number  of  small   cells.  This  problem  may  arise  because  small  cells  more  easily  fit  on  the  paper   compared  with  bigger  ones.  This  can  be  avoided  by  drawing  more  or  less  the  same   area  of  your  paper  (about  1/3  area  works  well  in  our  hands).  To  be  able  to  apply  the   correct  scaling,  a  drawing  needs  to  be  made  of  a  calibration  grid  for  each   magnification  used.  

3.1.5.  Determination  of  number  of  stomata   Stomatal  pores  are  a  feature  that  needs  to  be  dealt  with  specifically.  They  are   usually  open  and  might  erroneously  be  recognised  by  automated  analyses  as  cells.   One  solution  to  avoid  this  is  to  completely  fill  in  the  stomatal  pore.  The  number  of   stomata  per  drawing  is  counted  manually  and  recorded.  

3.1.6.  Processing  of  the  images   When  the  drawings  are  finished,  they  need  to  be  digitised.  Beforehand,  it  is   important  to  correct  potential  artefacts.  Cell  walls  that  show  gaps  need  to  be  closed,   and  cell  walls  at  the  edge  of  the  drawing  that  do  not  delineate  full  cells  need  to  be   erased.  Also,  avoid  cell  walls  that  touch  the  edges  of  the  paper.  Do  not  forget  to   record  the  origin  of  the  drawing  by  annotating  next  to  the  drawn  area:   genotype/treatment,  time  point,  position  in  the  leaf  (tip  or  bottom),  and   magnification  used  for  visualisation  (for  a  typical  example  of  the  epidermis  and  a   drawing  see  Figure  1).     Next,  the  drawings  are  scanned.  Depending  on  the  available  scanner,  the  settings   might  take  some  trial  and  error.  Scanning  in  colour  at  300  dpi  to  a  jpeg  file  suffices  

in  our  hands.  The  images  are  processed  using  image  analysis  software.  Here  we   outline  the  detailed  procedure  based  on  the  freely  available  program  ImageJ.       First  of  all,  the  calibration  needs  to  be  set.  Open  the  appropriate  calibration  image   and  use  the  Straight  Line  tool  to  select  a  length  of  the  grid.  Use  the  “Analysis/Set   Scale”  command  and  fill  in  the  known  distance  and  the  units.  Selecting  the  option   ‘global’  the  program  will  apply  these  settings  for  all  images  that  are  subsequently   opened.  Under  “Analysis/Set  Measurements”  verify  that  ‘Area’  and  ‘Display  label’   are  selected.     Open  an  image  and  convert  it  to  8-­‐bit  greyscale  under  “Image/Type”.  Apply  a   threshold  (using  “Image/Adjust/Threshold”)  that  allows  the  cell  walls  to  be  best   visualised.  Apply  a  closing  step  (“Process/Binary/Close”)  to  close  small  gaps  in  the   drawing  possibly  created  by  the  thresholding.  Use  the  magic  wand  tool  and  click  to   the  left  of  the  drawn  area.  This  selects  the  outline  of  the  entire  area  of  the  cell   drawing.  If  the  selection  includes  the  interior  of  some  cells  not  all  cell  walls  are   closed.  This  issue  can  be  resolved  by  drawing  lines  (selecting  a  line  across  the   opening  and  clicking  “Ctrl-­‐D”),  as  this  is  tedious,  drawings  are  best  checked   beforehand  for  these  artefacts.  Measure  the  drawn  area  by  clicking  “Ctrl-­‐M”.  Next,   count  all  cells  in  the  drawing.  It  may  help  to  select  every  cell  with  the  wand  tool  and   click  “Ctrl-­‐F”  to  fill  it  to  easily  keep  track  of  which  cells  were  counted.  The  obtained   data  can  be  copied  from  the  Result  Window  to  a  spreadsheet  program  (e.g.  MS   Excel).    

3.1.6.  Calculations   Following  the  above  procedures,  the  primary  data  for  each  leaf  consists  of  the  leaf   blade  area  and  for  two  drawings  (tip  and  base  of  leaf):  number  of  cells,  total  area  of   the  drawn  cells,  and  number  of  stomata.  From  these  we  can  derive  the  following:   -­‐  Average  leaf  area  can  be  determined  as  the  average  (and  standard  error)  of  all  leaf   areas  per  genotype/treatment  at  each  time  point  [Units:  mm2].  Due  to  the  

exponential  nature  of  the  growth  process,  this  parameter  is  best  presented  on  a  log-­‐ scale.   -­‐  The  total  area  of  the  drawn  cells  divided  by  the  number  of  cells  in  it  (pavement   cells  +  guard  cells  (2  per  stoma),  yields  the  average  cell  area  in  that  drawing.   Calculate  an  average  (and  standard  error)  of  all  the  cell  areas  for  all  the  leaves  per   genotype  and  time  point.   -­‐  Calculate  for  each  drawing  the  Stomatal  Index  (SI)  by  dividing  the  number  of  guard   cells  (number  of  stomata  (S)  multiplied  by  two  to  correct  for  the  presence  of  two   guard  cells)  by  the  total  number  of  cells  (Pavement  cells  (PC)  +  Guard  cells):   SI  =  2  *  S  /  (PC  +  2*S).     -­‐  Divide  the  leaf  area  by  the  average  cell  area  from  the  same  leaf  to  obtain  the   number  of  cells  per  leaf.  Then  averages  (and  standard  error)  of  the  number  of  cells   per  leaf  for  all  the  leaves  per  genotype/treatment  and  time  point  can  be  calculated.   Due  to  the  exponential  nature  of  the  division  process  leaf  numbers  are  typically   represented  in  log-­‐scale  with  base  2.   -­‐  The  Leaf  Expansion  Rate  (LER)  is  the  derivative  of  leaf  area  over  time  (on  a  logn   scale).  This  derivative  can  be  calculated  using  the  LocPoly  algorithm  (see  the  section   on  root  measurements)  or  using  a  spreadsheet  such  as  MS  Excel.  An  R-­‐script  for  the   LocPoly  or  an  example  of  an  Excel  sheet  with  those  calculations  set  up  can  be   obtained  from  the  corresponding  author  of  this  chapter.     The  basis  of  these  methods  is  a  local  quadratic  fitting  of  a  polynomial  to  a  small   section  of  the  data  which  allows  smoothing  the  data  and  calculating  the  local   differential.  In  Excel  this  requires  setting  up  three  columns  1.  Time  (in  days  after   germination/sowing),  2.  The  quadrate  of  Time  and  3.  The  natural  log  of  average  leaf   area.  Typically  a  five-­‐point  quadratic  fitting  is  used  to  calculate  adjusted  leaf  area   and  derivative  (LER)  for  the  midpoint.  Because  this  is  not  possible  for  the  first  and   last  two  points  of  the  series,  these  are  calculated  from  the  same  fit  as  the  third  from   the  beginning  and  end  of  the  series,  respectively.     Calculations  start  from  the  third  time  point:  In  columns  4  to  7  the  polynomial   coefficients  will  be  calculated  using  the  function  “Linest”;  the  first  argument  for  this   function  is  the  y-­‐values  for  5  points  (C2:C6),  the  second  argument  are  the  X  and  X2-­‐

values  for  5  points  (A2:B6).  The  third  and  fourth  arguments  are  “TRUE”  for  the  use   of  a  constant  and  “FALSE”  for  the  output  of  the  fitting  statistics  (these  co-­‐ordinates   for  cells  are  assuming  that  the  data  columns  contain  a  row  of  headers).  This  results   in  the  following  formula:  =Linest(C2:C6,A2:A6,TRUE,FALSE).  To  invoke  the  array-­‐ calculation  after  entering  instead  of  pushing  “Enter”,  the  combination  “Ctrl-­‐Shift-­‐ Enter”  needs  to  be  used.  This  will  write  in  the  three  selected  cells  the  c,  b  and  a  value   of  the  quadratic  fitting  ax2+bx+c,  respectively.  This  array  calculation  can  then  be   copied  down  up  to  the  third  last  point.  Now  it  is  possible  to  calculate  the  smoothed   y-­‐values  (a*X2  +  b*X  +  c)  and  LER,  the  derivative  (2*a*X+b),  in  two  extra  columns   (See  note  4  for  the  rationale  behind  this  smoothing  approach).  The  first  and  last  2   points  are  calculated  from  their  own  X  values  and  the  coefficients  of  the  fitting  for   the  third  points.  When  the  X  values  are  given  in  days,  the  obtained  LER  needs  to  be   divided  by  24  to  obtain  the  rates  as  mm2  mm-­‐2  h-­‐1.     -­‐  Average  cell  division  rate  is  the  derivative  of  the  cell  number  data  with  respect  to   time.  The  calculation  is  similar  to  the  LER  as  explained  above,  using  the  log2  of  the   number  of  cells  (cell  cell-­‐1  h-­‐1).  Cell  cycle  duration  can  be  calculated  as  the  inverse  of   cell  division  rate.  For  additional  information  on  effects  on  cell  cycle  phase  duration   these  data  can  be  combined  with  flow-­‐cytometry  measurements  (See  Note  5).  

3.2.  Analysis  of  Maize  leaf   The  cells  in  the  epidermis  of  monocotyledonous  leaves  are  arranged  in  linear  files.  A   kinematic  method  based  on  cell  length  profiling  in  function  of  position  along  the  leaf   was  developed.  This  method  assumes  that  during  steady-­‐state  growth  the  cell  length   profiles  are  constant.  It  entails  measurements  leaf  elongation  rate,  of  the  cell  length   profile  along  the  axis  of  the  leaf,  and  the  estimation  of  the  size  of  the  leaf  basal   meristem.  The  method  will  be  explained  and  discussed  based  on  our  experience   with  maize,  but  can  be  adapted  to  other  monocotyledonous  species.  The  procedures   are  designed  to  obtain  all  data  from  individual  leaves,  so  that  all  parameter  values   can  be  replicated  for  each  treatment  to  facilitate  statistical  analysis.    

3.2.1.  Plant  growth  and  measurements  of  leaf  elongation  rates   To  perform  a  kinematic  analysis  of  leaf  growth  in  maize,  a  batch  of  at  least  15  plants   per  condition  is  necessary.  The  leaf  elongation  rate  (LER)  in  function  of  time  is   recorded  for  a  first  subset  of  these  plants  by  measuring  with  a  ruler  the  length  of  the   leaf  (soil  surface  to  leaf  tip)  under  study  at  regular  time  intervals,  preferably  daily   (See  Note  6  for  automation  and  higher  resolution  approach).  This  measurement   involves  straightening  the  leaf  by  hand  and  some  caution  is  required  not  to  break  or   damage  as  touching  may  influence  growth  rates.  This  procedure  is  carried  out  from   leaf  appearance  (emergence  from  the  sheath  at  the  base  of  the  shoot)  until  its   complete  extension.  From  the  recorded  data,  LER  is  calculated  as  the  difference  in   leaf  length  on  two  successive  time-­‐points  divided  by  the  time  interval  between  them   (in  mm/hr).  For  a  typical  monocotyledonous  leaf,  leaf  elongation  is  generally  linear   during  the  first  days  after  appearance,  followed  by  a  period  progressive  decline   depending  on  leaf  position  and  treatment  (environmental  conditions).  The  first  days   of  linear  increase  can  be  considered  as  a  situation  of  steady-­‐state  growth.  At  the  cell   level,  it  is  assumed  that  also  cell  production  and  cell  length  profiles  in  the  growth   zone  are  constant  during  the  same  time  period  [8].  To  ensure  that  the  plants  grow  at   steady-­‐state  they  should  preferentially  be  grown  under  controlled  conditions  to   avoid  variations  of  leaf  elongation  rate.  Especially  fluctuations  in  temperature,  light   intensity  or  humidity  should  be  minimised,  because  they  strongly  influence  growth   rates  [8,  13].       3.2.2  Sampling   For  practical  purposes  the  4th  or  5th  leaf  from  maize  seedlings  are  convenient  for   these  analyses  as  they  appear  relatively  soon  (2-­‐3  weeks)  after  sowing  and  have  a   period  of  steady-­‐state  growth  that  lasts  for  several  days.  From  a  total  population  of   at  least  plants  per  treatment  at  least  3  to  5  representative  leaves  are  selected  based   on  LER  measurements  during  the  first  3  days  after  emergence.    For  the   simplification  of  the  kinematic  calculations,  the  whole  growth  zone  needs  to  be  

harvested  during  steady-­‐state  growth.  Directly  after  the  last  measurement,  the   leaves  need  to  be  selected  and  harvested.   The  size  of  the  growth  zone  depends  on  the  environmental  conditions,  the  species,   the  genotype,  and  the  developmental  stage  examined.  Therefore,  it  is  important  to   make  an  estimate  of  this  size  to  make  sure  that  the  samples  encompass  the  full   extent  of  the  growth  zone.  For  maize  the  growth  zone  of  leaf  4  or  5  of  maize  B73   grown  at  25°C  spans  about  100  mm  (9),  which  can  be  used  as  a  reference  for  the   analysis  of  maize  leaf  growth.   To  sample  the  growth  zone,  we  need  to  remove  the  older  leaves  that  surround  the   growing   leaf.   Special   care   should   be   taken   not   to   damage   the   basal   part   of   the   growing   leaf   because   this   is   where   the   leaf   basal   meristem   is   located.   Some   practise   beforehand  to  optimise  the  dissection  technique  is  required.  Next,  the  growth  zone   is   segmented   into   smaller   pieces   (for   example,   segments   of   10   or   20   mm)   if   the   growth  zone  is  too  large  to  mount  as  a  whole  on  microscope  slides.  The  samples  are   placed   in   an   ethanol   solution   for   chlorophyll   removal   and   fixation.   Since   in   the   meristematic   zone,   both   observation   of   the   nuclei   as   cell   length   measurement   are   needed,  the  basal  2-­‐3  cms  are  placed  in  a  solution  to  fix  the  cell  wall  as  well  as  the   nuclei.   These   samples   are   placed   in   3/1   (v/v)   absolute   ethanol:acetic   acid   for   fixation  of  cell  walls  and  clearing  of  chlorophyll.  The  samples  of  the  remaining  part   of   the   growth   zone   are   placed   in   absolute   ethanol   for   48   hour   for   chlorophyll   removal   and   fixation   and   afterwards   in   lactic   acid.   (To   obtain   better   and   faster   clearing,   the   ethanol   or   ethanol:acetic   acid   can   be   renewed   after   6   hours.)   Under   these  conditions,  the  samples  can  be  kept  at  4°C  from  24  hours  up  to  several  weeks.    

3.2.3.  Estimation  of  the  extent  of  the  linear  extent  of  the  leaf  basal  meristem   On  the  basal  sections,  we  first  measure  the  size  of  the  meristematic  zone  of  the   leaves.  This  involves  the  observation  of  the  evolution  of  mitotically  dividing  cells  in   the  meristematic  zone.  Therefore,  we  visualize  the  nuclei  with  DAPI.  The  samples   are  rinsed  with  a  buffer  solution  containing  50mM  NaCl,  5mM  EDTA  and  10mM   TRIS-­‐HCl  (pH7).  Next,  the  samples  are  incubated  in  the  dark  for  1  to  20  min  in  the  

same  buffer  solution  containing  DAPI  at  a  concentration  of  1  ug/ml  (For  an   alternative  stain,  see  Note  7).  Too  intense  staining  should  be  avoided,  since  only   staining  of  the  epidermal  cells  and  not  of  underlying  cell  layers  is  desired.  Therefore,   we  check  the  samples  for  fluorescent  signal  emission  after  a  short  incubation.   According  to  this  first  microscopic  assessment,  the  reaction  is  stopped  when  a   satisfactory  signal  is  achieved.  To  stop  the  reaction,  the  DAPI  is  removed  by  rinsing   in  the  buffer  solution.  Sample  re-­‐incubation  is  always  possible  if  it  is  necessary  to   achieve  a  higher  signal  level.  The  samples  are  mounted  in  a  drop  of  the  buffer   solution  on  a  microscope  slide  and  covered  with  a  cover  slip.  Take  care  to  mount  the   samples  with  the  abaxial  epidermis  faced  up.  For  image  analysis  a  digital  camera   connected  to  a  personal  computer  with  image  capturing  software  is  required.  If   available  software  that  facilitates  measurements  directly  on  the  live  image  is  most   convenient.  Starting  from  the  leaf  base,  recognisable  mitotic  cells  (metaphase,   anaphase,  telophase)  are  scored  per  frame,  preferably  using  a  magnification,   allowing  to  visulaize  around  1000  cells  per  frame  in  order  to  be  able  to  have  a   reasonable  amount  of  mitotically  dividing  cells  per  frame.  From  the  base  to  the  tip,   first  a  steady  amount  of  mitotically  dividing  cells  is  observed  per  frame  (4  to  5  %  of   all  cells  on  the  screen).  At  some  point  this  percentage  will  drop  below  50  %  of  the   initial  values,  until  finally  no  more  mitotic  figures  are  observed.  The  reduction  in   mitotic  figures  to  half  its  level  is  considered  as  a  proxy  for  the  distal  boundary  of  the   meristem.  In  this  analysis  only  proliferative  mitotically  dividing  cells  are  taking  in   account  and  not  formative  cell  division.  In  the  distal  part  of  the  meristem  formative   division  occurs  as  part  of  the  formation  of  the  guard  cells.  They  can  be  recognised  as     asymmetrical  divisions,  with  often  a  division  plane  perpendicular  to  the   proliferative  divisions.    In  practice,  the  measurement  is  done  by  counting  the   amount  of  frames  from  the  base  to  the  drop  in  the  level  of  mitotically  dividing  cells   and  multiplying  this  number  by  the  corresponding  distance  along  the  leaf.     Once  the  measurements  are  completed,  the  samples  are  placed  in  lactic  acid,  for  the   cell  length  measurements    

3.2.4.  Cell  length  measurements   For  the  cell  length  measurements  the  leaf  (segments)  are  mounted  on  microscope   slides.  The  samples  are  unrolled  on  the  object  slide  and  the  mid  vein  is  removed   with  a  scalpel.  The  samples  are  mounted  in  lactic  acid,  so  that  the  abaxial  epidermis,   which  generally  contains  fewer  stomata  compared  to  the  adaxial  side,  is  placed  face   up.  The  specimens  are  analysed  under  a  microscope  fitted  with  Differential   interference  contrast  (DIC)  optics.  Find  the  orientation  of  the  samples  and  start   from  the  most  basal  part.  In  maize  you  can  use  the  trichomes  at  the  edge  of  the  leaf,   which  point  towards  the  leaf  tip  as  a  reference  to  distinguish  base  from  tip   directions.  Adjust  the  microscope  to  optimise  the  image  focussing  on  the  epidermal   cell  walls.     Moving  in  distal  direction  from  the  base  of  the  leaf  sample,  all  the  cells  belonging  to   one  epidermal  cell  file  are  measured.  Typically,  a  cell  file  adjacent  to  stomatal  rows   on  the  abaxial  side  is  chosen,  since  these  cell  files  are  convenient  to  recognise  and   consists  a  single  cell  type.  The  easiest  and  fastest  way  to  handle  these   measurements  is  to  directly  measure  the  cells  on  the  images  captured  “live”  by  a   digital  camera  connected  to  a  PC  running  image  analysis  software.  For  ImageJ,  plug-­‐ inns  for  a  range  of  camera’s  are  available  from  the  program  website.  Alternatively,  it   is  possible  to  capture  a  series  of  overlapping  pictures,  which  are  subsequently  used   to  make  a  composite  image  by  stitching  the  individual  images  together.  Several   commercial  photo-­‐stiching  programs  are  available,  recent  versions  of  Photoshop   (Adobe)  have  a  routine  to  do  this  (file/automate/photomerge)  and  there  are  also   public  domain  ImageJ  plug-­‐ins  available  that  can  do  this.  When  any  of  these  routines   are  used  make  sure  that  there  is  no  deformation  of  the  images  to  make  them  fit   better  as  this  will  lead  to  errors  in  the  measured  cell  sizes.   To  take  into  account  the  variation  in  cell  size  at  different  positions  across  the  leaf,   these  measurements  are  repeated  for  a  few  equivalent  cell  files  (e.g.  cell  files   adjacent  to  stomatal  rows)  for  each  leaf.    The  distance  from  the  base  to  the  midpoint  of  each  cell  is  calculated  in  a   spreadsheet.  This  is  done  by  determining  the  cumulative  length  of  all  cells  in  more  

basal  positions  in  the  same  file  +  0.5  x  the  length  of  the  cell  itself.  Afterwards,  all   data  for  a  leaf  can  be  combined  by  copying  the  data  for  the  different  cell  files  into  the   same  position  and  size  columns  and  sorting  them  for  ascending  position.  To  allow   averaging  between  leaves  and  further  calculations,  the  next  step  is  to  determine  the   average  cell  length,  l(x),  at  specific,  equally  spaced  positions  along  the  leaf.  To  this   end,  we  developed  a  local  polynomial  smoothing  procedure  [10].  We  have   implemented  this  procedure  as  an  R  script  that  is  available  upon  request  from  the   corresponding  author  [and/or  supplementary  data  or  available  via  a  webpage/For   editor  to  decide].  This  script  gives  a  series  of  data  with  increasing  smoothing.  The   amount  of  smoothing  required  is  somewhat  arbitrary  and  ideally  should  just   remove  the  local  noise,  but  not  affect  the  overall  curve.  The  script  also  calculates  the   local  derivative  of  the  cell  length  distribution.  The  data  for  l(x)  can  be  averaged  (at   x)  between  roots  and  standard  errors  can  be  calculated.  

3.2.4.  Calculation  of  overall  kinematic  parameters   Based  on  the  measured  LER,  cell  length  profile  and  meristem  size,  the  kinematic   parameters  for  leaf  elongation  growth  can  be  calculated:   -­‐  The  size  of  the  growth  zone  (Lgz)  is  estimated  as  the  distance  form  the  leaf  base  to   the  position  where  the  cells  reach  95%  of  their  mature  length  on  the  smoothed  cell   length  profile.   -­‐  The  size  of  the  elongation  zone  (Lel)  is  the  difference  between  Lgz  and  Lmer  (which   was  determined  from  the  distribution  of  mitotic  figures,  see  3.2.3).   -­‐  To  determine  the  number  of  cells  in  each  zone,  the  number  of  cells  for  each   interval  of  the  interpolated  cell  length  data  is  calculated  by  dividing  the  size  of  the   interval  by  the  average  size  of  the  cells  in  it  (the  average  size  of  cells  at  the   beginning  and  endpoint).     -­‐  The  number  of  cells  in  the  meristem  (Nmer)  equals  the  cumulative  number  of  cells   in  all  the  intervals  located  within  the  meristem.   -­‐  The  number  of  cells  in  the  elongation  zone  (Nel)  equals  the  cumulative  number  of   cells  in  all  the  intervals  located  within  the  elongation  zone.   -­‐  The  number  of  cell  in  the  whole  of  the  growth  zone  (Ngz)  equals  Nmer  +  Nel.  

-­‐  Mature  cell  size  lmat  can  be  calculated  as  the  average  cell  length  in  the  mature   region.   -­‐  Cell  production  in  the  whole  of  the  meristem  can  be  calculated  as  LER  /  lmat   -­‐  The  average  cell  division  rate  (Davg)  equals  Cell  production  rate  divided  by  Nmer  and   the  average  cell  cycle  duration  Tc  =  ln(2)  /  Davg.     In  addition,  the  local  cell  elongation  rate  r(x),  which  is  calculated  directly  in  roots,   can  be  estimated  in  monocotyledonous  leaves  from  the  cell  length  profile.  This   parameter  is  calculated  for  all  positions  from  derivative  of  cell  length,  given  by  the   LocPoly  algorithm,  multiplied  by  the  cell  production:  r(x)=  P  .  ∂l/∂x.  Because  in  the   meristem  P  is  not  constant,  this  formula  can  only  be  used  for  positions  distal  to  the   meristem  boundary.    

3.2.5.  Flowcytometry   Similar  to  the  approach  used  for  the  Arabidopsis  leaves,  a  deeper  insight  into  the   role  of  cell  cycle  progression  in  the  leaf  elongation  can  be  obtained  by   complementing  the  kinematics  with  flow-­‐cytometry.  This  technique  allows  the   relative  quantification  of  DNA  nuclear  content  in  the  different  regions  of  the  growth   zone  and  thereby  it  enables  inferences  of  cell  cycle  progression  status  in  the   meristem  and  of  endoreduplication  in  the  elongation  zone  [9].  However,  bear  in   mind  that  this  approach  uses  the  entire  leaf  rather  than  the  specific  cell  type   analysed  using  the  microscopy,  so  that  some  caution  needs  to  be  taken  into  account   with  the  interpretation.    

4.  Notes   4.1.  Starch   Sometimes  the  leaf  material  does  not  clear  completely  after  transfer  to  lactic  acid.   This  is  typically  due  to  the  presence  of  relatively  high  amounts  of  starch,  which   makes  the  imaging  of  the  epidermal  cells  very  difficult.  To  improve  the  clearing  of  

the  leaves,  they  can  be  transferred  to  Hoyer  medium.  The  duration  of  clearing  in   Hoyer  medium  depends  on  the  stage  of  the  leaf  material  and  on  the  amount  of   starch  present.  For  young  leaves  15  to  30  minutes  are  usually  sufficient,  while  older   leaves  may  require  up  to  two  hours.  It  takes  some  trial  and  error  to  determine  the   desired  clearing  time.  If  the  leaf  material  is  kept  too  long  in  Hoyer  medium,  the   clearing  is  excessive  and  the  cell  walls  are  no  longer  visible  using  DIC.  Finally,  the   material  needs  to  be  transferred  back  to  lactic  acid  after  Hoyer  treatment  and   mounted  on  object  slides  using  lactic  acid  as  mounting  medium.  The  cell  analysis   needs  to  be  done  shortly  (hours)  after  the  Hoyer  clearing,  as  the  effect  of  the  Hoyer   clearing  dissipates  and  clearing  needs  to  be  redone.  

4.2. Cell types For  practical  reasons  we  have  opted  to  work  on  the  abaxial  epidermis  of  the  first   leaf  pair  as  it  does  not  have  trichomes,  which  complicate  the  cell  measurements.  Cell   divisions  in  this  file  are  in  transverse  direction  only.  However,  conceptually  it  is  also   possible  to  perform  the  calculations  for  the  adaxial  epidermis  by  either  ignoring  or   taking  into  account  the  trichomes  and  accompanying  cell  complex.  For  the  palisade   parenchyma  layers  calculations  are  theoretically  possible  by  either  excluding  the   divisions  perpendicular  to  the  surface  that  increase  the  number  of  mesophyll  layers   or  by  including  measurements  of  the  number  of  palisade  cell  layers.  In  the  spongy   mesophyll  individual  cell  layers  are  not  easily  defined,  complicating  the  analysis   probably  beyond  what  is  feasible  to  work  on.  For  addressing  specific  research   questions  it  may  be  interesting  to  compare  calculations  on  multiple  cell  layers.  

4.3. Alternative to Drawing tubus In  absence  of  a  drawing  tubus,  images  of  cells  can  also  be  made  using  a  digital   camera  mounted  to  the  microscope  and  tracing  the  walls  on  a  computer  using  the   mouse  or  a  drawing  pad.  The  disadvantage  of  this  method  is  that  some  areas  of  the   image  may  not  be  focussed  optimally,  resulting  in  some  loss  of  accuracy.  

4.4. Smoothing approach Smoothing  and  interpolation  of  the  primary  cell  length  and  velocity  data  is  an   important  step  in  the  calculations.  Note  that  by  using  a  local  polynomial  approach   instead  of  fitting  a  predefined  function,  no  assumptions  as  to  the  overall  shape  of  the   curve  needs  to  be  made.  

4.5. Flow cytometry Flow-­‐cytometry  can  be  used  to  analyse  the  (nuclear)  DNA  content  of  the  cells  of  the   leaf  using  DAPI  as  a  fluorochrome.  This  allows  estimating  the  relative  cell  cycle   phase  duration  during  cell  proliferation.  Because  the  standard  preparation  involves   chopping  the  entire  leaf  blade  this  analysis  is  not  restricted  to  a  single  tissue  as  for   the  case  of  cell  measurements.  Nevertheless,  we  found  that  the  transitions  from   proliferation  to  expansion  and  from  expansion  to  maturity  as  defined  by  the   kinematic  analysis  are  closely  reflected  in  the  DNA  profile  [9],  so  that  with  some   caution  these  data  can  effectively  be  combined.  

4.6. LVDTs A  more  advanced  alternative  to  the  daily  manual  (ruler)  measurements  of  leaf   length  is  using  electronic  systems,  based  on  linear  velocity  displacement   transducers  (LVDTs).  Using  LVDTs  the  measurements  of  leaf  extension  are  acquired   at  much  higher  time  resolution  (minutes  or  even  seconds)  [11,  12].  

4.7. Alternative to DAPI/Fluorescence An  alternative  staining  protocol  for  nuclei  visualisation  is  using  Fuelgen  staining,   which  allows  doing  the  analysis  without  the  need  of  an  epifluorescence  microscopy   (12).  

References   1.  

Poorter,  H.  and  E.  Garnier,  Plant  growth  analysis:  an  evaluation  of   experimental  design  and  computational  methods.  Journal  of  Experimental   Botany,  1996.  47(302):  p.  1343-­‐1351.  

2.   3.   4.   5.   6.   7.   8.    

9.   10.   11.   12  

   

Goodwin,  R.H.  and  W.  Stepka,  Growth  and  differentiation  in  the  root  tip  of   Phleum  pratense.  American  Journal  of  Botany,  1945.  32:  p.  36-­‐46.   Erickson,  R.O.  and  K.B.  Sax,  Rates  of  cell  division  and  cell  elongation  in  the   growth  of  the  primary  root  of  Zea  mays.  Proceedings  of  the  American   Phylosophical  Society,  1956.  100  (5):  p.  499-­‐514.   Silk,  W.K.  and  R.O.  Erickson,  Kinematics  of  plant  growth.  Journal  of   Theoretical  Biology,  1979.  76:  p.  481-­‐501.   Fiorani,  F.  and  G.T.S.  Beemster,  Quantitative  analyses  of  cell  division  in  plants.   Plant  Molecular  Biology,  2006.  60(6):  p.  963-­‐979.   Candela,  H.,  A.  Martínez-­‐Laborda,  and  J.L.  Micol,  Venation  pattern  formation  in   Arabidopsis  thaliana  vegetative  leaves.  Developmental  Biology,  1999.  205(1):   p.  205  -­‐  216.   Donnelly,  P.M.,  et  al.,  Cell  cycling  and  cell  enlargement  in  developing  leaves  of   Arabidopsis.  Developmental  Biology,  1999.  215:  p.  407-­‐419.     Ben-­‐Haj-­‐Salah,  H.  and  F.  Tardieu,  Temperature  affects  expansion  rate  of  maize   leaves  without  change  in  spatial  distribution  of  cell  length.  Analysis  of  the   coordination  between  cell  division  and  cell  expansion.  Plant  Physiology,  1995.   109:  p.  861-­‐870.     Beemster,  G.T.S.,  et  al.,  Genome-­‐wide  analysis  of  gene  expression  profiles   associated  with  cell  cycle  transitions  in  growing  organs  of  Arabidopsis.  Plant   Physiol.,  2005.  138(2):  p.  734-­‐743.     Beemster,  G.T.S.  and  T.I.  Baskin,  Analysis  of  cell  division  and  elongation   underlying  the  developmental  acceleration  of  root  growth  in  Arabidopsis   thaliana.  Plant  Physiology,  1998.  116(4):  p.  515-­‐526.     Basu,  P.,  et  al.,  A  Novel  Image-­‐Analysis  Technique  for  Kinematic  Study  of   Growth  and  Curvature.  Plant  Physiol.,  2007.  145(2):  p.  305-­‐316.     van  der  Weele,  C.M.,  et  al.,  A  New  Algorithm  for  Computational  Image  Analysis   of  Deformable  Motion  at  High  Spatial  and  Temporal  Resolution  Applied  to  Root   Growth.  Roughly  Uniform  Elongation  in  the  Meristem  and  Also,  after  an  Abrupt   Acceleration,  in  the  Elongation  Zone.  Plant  Physiology,  2003.  132(3):  p.  1138-­‐ 1148.    

Figure  1.  Image  processing  of  the  adaxial  epidermis  of  Arabidopsis  thaliana   leaves.   A. DIC  image  of  cleared  leaves.  B.  Typical  drawing  of  cell  outlines.  

Add Figure of maize leaf with example of each zone.